активная зона ядерного реактора

Формула изобретения

1. Активная зона ядерного реактора, включающая в себя тепловыделяющие сборки 1, содержащие головку 2, хвостовик 3, тепловыделяющие элементы 4, связанные в пучок дистанционирующими решетками 5, отличающаяся тем, что шаг размещения дистанционирующих решеток 5 по высоте тепловыделяющей сборки выполнен переменным, изменяющимся на величину не менее высоты дистанционирующей решетки 5.

2. Активная зона ядерного реактора по п.1, отличающаяся тем, что в нижней половине тепловыделяющих сборок 1 шаг между каждой последующей парой дистанционирующих решеток 5 по высоте выполнен больше, а в верхней половине меньше шага между предыдущей парой дистанционирующих решеток 5.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к атомной энергетике, а более конкретно - к активным зонам ядерных реакторов с водой под давлением.

Известна тепловыделяющая сборка (ТВС) [1] ядерного реактора, содержащая пучок взаимно параллельных тепловыделяющих элементов (твэлов) с ядерным топливом в трубных оболочках, направляющие каналы для управляющих стержней, головку, хвостовик и ряд перпендикулярных твэлам дистанционирующих решеток. Как правило, дистанционирующие решетки в ТВС располагаются с постоянным шагом по всей высоте.

Недостатком известной ТВС и активной зоны является повышенное усилие трения между ТВС при загрузке - выгрузке их в реакторе. Усилие трения возникает между контактирующими ободами дистанционирующих решеток соседних ТВС. При постоянном шаге расположения дистанционирующих решеток по высоте ТВС число одновременно контактирующих пар ободов дистанционирующих решеток растет по мере погружения ТВС в активную зону. А значит, растет и суммарное усилие трения между ТВС. Это объясняется тем, что все тепловыделяющие сборки имеют отклонения от идеальной геометрической формы. При загрузке в реактор ТВС вынуждена расталкивать окружающие ТВС. Расталкивание происходит только по контактирующим ободам дистанционирующих решеток, так как размер "под ключ" ободов дистанционирующих решеток выбирают таким, чтобы обода не контактировали с твэлами соседних тепловыделяющих сборок. При расталкивании соседних тепловыделяющих сборок каждая дистанционирующая решетка раздвигает находящиеся с ней на одном уровне окружающие дистанционирующие решетки, с которыми она вошла в контакт. При этом происходит локальное отгибание участков окружающих тепловыделяющих сборок, так как они имеют конечную изгибную податливость и, в свою очередь, подперты со всех сторон другими тепловыделяющими сборками. Поэтому, чем больше уровней, на которых контактируют дистанционирующие решетки, тем большие участки окружающих тепловыделяющих сборок отгибаются, и тем больше необходимое для этого усилие. А это усилие и создает трение между тепловыделяющими сборками. Повышенное трение между тепловыделяющими сборками затрудняет выполнение операций по загрузке - выгрузке их в активную зону.

Известна также ТВС с антикоррозийными решетками [2], содержащая дистанционирующие решетки, расположенные в верхней части сборки на расстояниях друг от друга, меньших расстояний, на которых дистанционированы решетки, расположенные в нижней части топливной сборки. Более часто расположенные дистанционирующие решетки в верхней части обеспечивают лучшее перемешивание теплоносителя и соответственно лучшее охлаждение твэлов.

Недостатком известной ТВС также является повышенное усилие трения между тепловыделяющими сборками при загрузке - выгрузке их в активную зону из-за наличия участков с постоянным шагом расположения дистанционирующих решеток и соответственно большого количества одновременно контактирующих дистанционирующих решеток.

Целью изобретения является повышение надежности и безопасности ядерного реактора.

Задачей изобретения является облегчение загрузки - выгрузки тепловыделяющих сборок в активной зоне ядерного ректора.

Техническим результатом изобретения является снижение суммарного усилия трения между тепловыделяющими сборками при загрузке - выгрузке ТВС в реакторе и обеспечение различия частотных характеристик твэлов на участках между соседними дистанционирующими решетками и, тем самым, снижение возможности возникновения резонансных колебаний твэлов.

Поставленная задача решается тем, что в активной зоне ядерного реактора, включающей в себя тепловыделяющие сборки, содержащие головку, хвостовик, тепловыделяющие элементы, связанные в пучок дистанционирующими решетками, расстояния между парами дистанционирующих решеток по высоте разнятся на величину не менее высоты дистанционирующей решетки.

Такое устройство активной зоны и тепловыделяющих сборок обеспечивает уменьшение количества одновременно контактирующих дистанционирующих решеток в процессе загрузки тепловыделяющей сборки в активную зону. Соответственно обеспечивается уменьшение трения между соседними тепловыделяющими сборками.

Поставленная задача также решается тем, что в активной зоне ядерного реактора, включающей в себя тепловыделяющие сборки, содержащие головку, хвостовик, тепловыделяющие элементы, связанные в пучок дистанционирующими решетками, в нижней половине тепловыделяющих сборок расстояние между каждой последующей парой дистанционирующих решеток выполнено больше, а в верхней половине - меньше расстояния между предыдущей парой дистанционирующих решеток.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых представлены:

фиг.1 - вертикальный разрез активной зоны ядерного реактора с загружаемой тепловыделяющей сборкой с шагом размещения дистанционирующих решеток, увеличивающимся не менее чем на высоту дистанционирующей решетки;

фиг.2 - вертикальный разрез активной зоны ядерного реактора с загружаемой тепловыделяющей сборкой, в которой в нижней половине расстояние между каждой последующей парой дистанционирующих решеток выполнено больше, а в верхней половине - меньше расстояния между предыдущей парой дистанционирующих решеток не менее чем на высоту дистанционирующей решетки;

фиг.3 - вертикальный разрез активной зоны ядерного реактора с загружаемой тепловыделяющей сборкой с шагом размещения дистанционирующих решеток, увеличивающимся не менее чем на удвоенную высоту дистанционирующей решетки;

фиг.4 - вертикальный разрез активной зоны ядерного реактора с загружаемой тепловыделяющей сборкой, в которой в нижней половине расстояние между каждой последующей парой дистанционирующих решеток выполнено больше, а в верхней половине - меньше расстояния между предыдущей парой дистанционирующих решеток не менее чем на удвоенную высоту дистанционирующей решетки;

фиг.5 - вертикальный разрез, показывающий взаимодействие между участками двух ТВС с постоянным шагом дистанционирующих решеток в активной зоне ядерного реактора при загрузке - выгрузке одной из этих ТВС;

фиг.6 - вертикальный разрез, показывающий взаимодействие между участками двух ТВС с переменным шагом дистанционирующих решеток в активной зоне ядерного реактора при загрузке - выгрузке одной из этих ТВС.

Активная зона ядерного реактора содержит комплекс тепловыделяющих сборок 1, каждая из которых содержит головку 2, хвостовик 3 и пучок тепловыделяющих элементов 4. Тепловыделяющие элементы 4 связаны в пучок дистанционирующими решетками 5. Расстояния между смежными парами дистанционирующих решеток 5 больше (или меньше) расстояния между другими парами дистанционирующих решеток на величину, не менее высоты дистанционирующей решетки h (или удвоенной высоты дистанционирующей решетки 2h). При этом шаг размещения дистанционирующих решеток может быть выполнен в различных вариантах:

- равномерно увеличивающимся;

- равномерно уменьшающимся;

- сначала увеличивающимся, затем уменьшающимся;

- произвольно изменяющимся;

- с выполнением переменного шага на отдельных участках тепловыделяющей сборки.

Работа тепловыделяющей сборки ядерного реактора осуществляется следующим образом.

Во время загрузки в активную зону тепловыделяющей сборки 1 ее дистанционирующие решетки 5 последовательно пересекают уровни дистанционирующих решеток смежных тепловыделяющих сборок. При этом, вследствие неравенства расстояний между парами дистанционирующих решеток, в момент контакта, например, нижних дистанционирующих решеток из каждой пары верхние дистанционирующие решетки этой пары оказываются на разных уровнях по высоте и поэтому не контактируют друг с другом. Уменьшение количества точек контакта между соседними тепловыделяющими сборками обеспечивает более легкую раздвижку их и снижение сил трения между ними. Это объясняется тем, что практически все дистанционирующие решетки во всех ТВС имеют отклонения как по геометрии, так и по положению относительно оси ТВС. Это значит, что профили всех шести граней ТВС не являются прямыми, а имеют ломаную форму. При загрузке - выгрузке ТВС с постоянным шагом дистанционирующих решеток в активную зону дистанционирующие решетки, находящиеся в вершинах ломаного профиля боковых поверхностей приходят во взаимодействие со всеми ответными аналогично выступающими дистанционирующими решетками смежных ТВС. Это приводит к деформации ТВС под действием сил взаимодействия их по дистанционирующим решеткам. С увеличением количества контактирующих пар дистанционирующих решеток количество деформированных участков растет, а значит растет и суммарное усилие бокового взаимодействия между ТВС. Соответственно растет и суммарная сила трения между ТВС. При загрузке - выгрузке ТВС с переменным шагом дистанционирующих решеток, изменяющимся не менее чем на h, в активную зону дистанционирующие решетки, находящиеся в вершинах ломаного профиля боковых поверхностей приходят во взаимодействие не со всеми ответными аналогично выступающими дистанционирующими решетками смежных ТВС, так как пока ТВС не опустится до крайнего нижнего положения большинство дистанционирующих решеток в перекрывающихся частях загружаемой ТВС и смежных ТВС будут находиться на разных уровнях по высоте. Это приведет к меньшим боковым деформациям ТВС и соответственно к меньшим боковым усилиям взаимодействия ТВС со смежными ТВС в активной зоне ядерного реактора и к меньшему суммарному усилию трения между ТВС. А уменьшение трения между тепловыделяющими сборками облегчает загрузку и выгрузку их в активной зоне реактора. При установке ТВС в крайнее нижнее положение все ее дистанционирующие решетки оказываются на соответствующих уровнях смежных ТВС в активной зоне и обеспечивают полное дистанционирование ТВС.

Во время работы реактора теплоноситель поступает в тепловыделяющую сборку 1 снизу через хвостовик 3 и, проходя между тепловыделяющими элементами 4, снимает с них тепло, нагревается и выходит вверх через головку 2. В принудительно циркулирующем теплоносителе всегда присутствуют пульсации давления, задающие определенные частоты вынужденных колебаний тепловыделяющей сборки. При совпадении частот вынужденных колебаний с собственными частотами в тепловыделяющих элементах 4 может возникнуть резонансный фреттинг-износ. При постоянном шаге размещения дистанционирующих решеток 5 резонансные колебания распространились бы на всю длину тепловыделяющих элементов 4, так как все участки их имеют одинаковые собственные частоты колебаний. В случае же переменного шага размещения дистанционирующих решеток 5 соседние участки тепловыделяющих элементов 4 имеют различные собственные частоты колебаний. А это приводит к ускоренному затуханию колебаний.

Наиболее целесообразно предложенные решения использовать для эксплуатации на ядерных энергетических реакторах с водой под давлением.

Источники информации

1. Патент США 5094805 от 10.03.92.

2. Патент Франции 2599177 от 27.11.87.